科技名刊精選

光競爭驅動食草動物和養分對植物多樣性的影響

《自然》封面：增加土壤養分或驅走綿羊這類放牧家畜會降低草地的植物多樣性。《自然》雜志第7935期封面報道了植物物種對光的競爭是導致植物多樣性降低的一個關鍵因素。研究團隊以德國草地為研究對象，利用放置在近地面高度的燈抵消高大植物旺盛生長所產生的遮蔭效應。他們發現，雖然增加養分和趕走食草動物會促進高大植物的生長，降低光照水平，減少多樣性，但使用近地面光照或能抵消這些效應，從而有助維持多樣性。研究結果表明，本土和家養食草動物都可以幫助保護草地的生物多樣性。

利用機器學習評估供電對民生的影響

《自然》封面：美國航空航天局地球觀測站。《自然》雜志第7936期封面文章報道了衛星圖像和機器學習的結合能填補數據空缺，開展公共政策的制定和評估。在世界上許多地區，缺乏經濟受影響數據阻礙了對公共政策的制定和評估。研究團隊主要研究了烏干達電網的擴張情況。研究團隊利用衛星圖像和當地關于家庭財富的調查數據，成功訓練了一個神經網絡，這個網絡能預測全國家庭受到的經濟影響，包括那些近期接入電網的家庭。研究結果肯定了鄉村接入電力和資產財富之間存在著正因果關系。

超慢速模式切換實現對哺乳動物大腦空泡型腺苷三磷酸酶的調控

《自然》封面：哺乳動物大腦神經細胞內一個突觸囊泡上的空泡型腺苷三磷酸酶（大型藍色結構）。《自然》雜志第7937期封面文章報道了單個天然突觸囊泡中的腺苷三磷酸酶動力學。腺苷三磷酸酶能泵送質子實現跨細胞膜轉運，在神經元中，這個過程對于將神經遞質裝進突觸小泡至關重要。通過對單分子水平上的質子泵送進行成像，研究團隊得以發現腺苷三磷酸酶并不是連續泵送，而是在3種不同模式之間切換：質子泵送模式、非活躍模式、質子泄漏模式。研究結果或許揭示超慢速模式切換在蛋白質調控中具有更廣泛的生物學作用。

基于量子處理器的可穿越蟲洞動力學

《自然》封面：全息蟲洞。《自然》雜志第7938期封面文章報道了科學家利用九量子比特在量子計算機中實驗性地實現了相應的量子動力學，從而復制了一個可穿越全息蟲洞的動力學。這是最終實現在實驗室中研究量子引力理論的前期步驟。由于廣義相對論和量子力學在根本上存在互不相容性，因此人們很難就量子引力理論達成共識。在同一個量子芯片中，研究團隊建立了兩個糾纏的量子系統。他們在其中一個系統輸入一個量子比特，并觀察到另一個系統產生的信息具有可穿越蟲洞的預期引力特性。

（本頁期刊封面圖來自《自然》官網）

一種高性能液態金屬基的導電彈性體

《科學》封面：聚合物中液體金屬粒子的通用組裝構建彈性印刷電路板。《科學》雜志第6620期封面文章報道了一種高導電和堅韌的液體金屬基彈性導體。研究者通過聲場作用于液體金屬-聚合物復合材料，形成了包括一個長程有序組裝的液態金屬粒子網絡。這種結構可以實現高變形下材料電阻變化幾乎不變。這種方式可以在各種聚合物基質中生成液態金屬粒子網絡。由于分散的液體金屬仍保持微米甚至納米級的顆粒狀，因此這個材料不會發生液體金屬的泄漏。這種合成方式的柔性電子材料可以滿足多種柔性電子設備的性能需求。

晶體管的故事

《科學》封面：1959年9月9日，在法國巴黎凡爾賽展覽中心舉行的第21屆廣播電視展上展示的一臺便攜式收音機。《科學》雜志第6621期封面文章報道了晶體管發展歷史。70多年前晶體管的發明刺激了通信、計算、控制系統、儀器儀表和其他技術的創新。集成電路的發展催生了一場持續不斷的競賽，即不斷增加芯片上晶體管的數量，降低每個晶體管的成本和能耗。晶體管發展成為現代集成電路是龐大的研究人員和工程師團隊努力的結果。如果能明智地使用晶體管，它還能繼續擴展科學和技術應用范圍。

細胞工程

《科學》封面：喚起細胞工程強大高效的潛力。《科學》雜志第6622期特刊報道了科學家們在細胞工程方面的努力。幾十年來對生物調控機制的基礎研究揭示了細胞信號系統的基本原理和特征模塊性。現在，研究人員可以賦予細胞新的或修改的傳感器，以喚起期望的細胞反應。在細胞內部，可以對邏輯電路進行編程，對特定的線索做出適當的反應。通過這種方式，細胞或細胞群可以變成診斷和治療藥物的武器庫，能夠找到它們的目標并啟動與自然生物調節系統非常相似的行動。研究細胞工程能增強人類對控制復雜生物系統的基本理解。

黃石公園下面有什么

《科學》封面：黃石國家公園下正在噴發的間歇泉。《科學》雜志第6623期封面文章報道了黃石火山口下地下深處的巖漿堆積研究成果。黃石火山是一座活躍的超級火山，下次噴發時將造成大規模破壞。科學家使用全波形地震成像技術來繪制火山下融水的位置和數量。假設黃石公園的巖漿系統是一個廣泛分布的熔融晶體，他們估計部分熔融比例為16%～20%。融冰量最大的地方大致就在之前火山爆發的深度范圍內。然而，融化的量遠遠低于在不久的將來任何時候大規模噴發所需的量。如果情況開始急劇變化，全波形地震成像技術能對地下的持續監測提供清晰的畫面。

（本頁期刊封面圖來自《科學》官網）

時空可分辨全局性解析蛋白質-DNA相互作用新方法

中國科學院上海藥物研究所陳小華課題組和譚敏佳課題組合作，實現了對蛋白質-DNA動態互作、包括弱相互作用的轉錄因子-DNA的時空動態性深度解析。相關成果發表于《自然·化學》（Nature Chemistry）。蛋白質與DNA的相互作用在生物學過程中發揮著關鍵作用。精確解析蛋白質-DNA相互作用能夠揭示二者相互識別機制和動態變化，對于深入理解生理和病理條件下基因的調控機制至關重要。這項研究為全局性深度解析蛋白質-DNA的時空動態互作提供了一種新方法，以目標DNA序列為探針的互作蛋白質結合活性分析策略，有望用于解析目標DNA序列中不同的堿基修飾與蛋白質相互作用的研究。

新方法解析蛋白質-DNA時空動態相互作用示意圖（圖片來源于中國科學院上海藥物研究所網站）

研發脂質體納米藥物用于乳腺癌的光動力/免疫聯合治療

中山大學附屬第三醫院納米醫學中心帥心濤教授團隊與超聲科任杰教授團隊合作，開發了一種脂質體納米藥物，通過聯合二氫卟吩e6介導的光動力治療與鹽酸多西環素誘導的自噬抑制和線粒體功能障礙，實現“冷腫瘤”乳腺癌高效的光動力/免疫聯合治療。相關成果發表于《小》（Small）。免疫療法變革了癌癥的治療方式，并在某些類型的癌癥中取得了顯著的臨床治療效果，但大多數實體瘤還是存在免疫原性差、抗原呈遞缺陷以及細胞毒性T淋巴管浸潤效率低下等問題。研究聚焦腫瘤免疫治療前沿，利用納米藥物的多藥遞送及協同治療優勢，開發常用抗生素多西環素的抗腫瘤作用，豐富了多西環素的臨床適用范圍。

C14位官能團化甾體的化學酶法合成

武漢大學高等研究院、化學與分子科學學院、泰康生命醫學中心周強輝課題組與藥學院瞿旭東課題組合作，發展了一種高效通用的制備C14官能團化甾體的合成策略。相關成果發表于《自然·合成》（Nature Synthesis）。甾體藥物是僅次于抗生素的第二大類守護人民生命健康的藥物。現有研究表明，C14官能化甾體普遍表現出較好的生物活性，具有臨床藥物開發潛力。現有的化學合成策略制備碳14（C14）官能化甾體通常需要在特定官能團的輔助下進行，底物范圍十分有限，反應條件也較為苛刻，嚴重阻礙了相關的甾體新藥研究。新研究策略僅需6～7步就完成了一個強心苷類天然產物及其3種非對映異構體的高效合成。

新型萘醌類天然產物的全合成

中國醫學科學院藥物研究所合成藥物化學研究室許述團隊實現了復雜籠狀活性萘醌類天然產物（“Naphthospironone A”）的全合成。相關成果發表于《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）。“Naphthospironone A”是2010年科學家從錫尾礦堿性土壤中的極端微生物擬諾卡氏屬放線菌的培養液中分離得到的復雜活性天然產物。藥理活性篩選發現這一分子展現出抗菌和抗腫瘤雙重活性，具有潛在的新藥開發價值。其化學結構具有復雜的剛性籠狀骨架、高度的氧化態及多個手性中心（其中5個連續相連）。研究以17步最長線性步驟序列完成了這一復雜藥物分子的首次全合成。

丙烯電催化氧化制1,2-丙二醇

中國科學技術大學耿志剛等人通過構筑一種具有可逆動態互變結構的分子催化劑，打破對關鍵中間物種的線性標度關系，實現對丙烯高效電催化氧化制1,2-丙二醇過程。相關成果發表于《美國化學會》（Journal of The American Chemical Society）。1,2-丙二醇是一種理想的化工原料，廣泛應用于生產不飽和聚酯樹脂、藥品和防凍劑等。在傳統制備過程中需使用高污染的氯氣作為氧化劑，且環氧丙烷水解需在高溫或強酸性環境下進行。相比之下，一步法丙烯電催化氧化制1,2-丙二醇不僅可以簡化制備工藝，且反應以水為氧源，避免了氯氣的使用，進而有效緩解傳統工藝中高污染、高能耗等諸多問題。

促進電催化氧化過程（圖片來源于中國科學技術大學網站）

光催化甲烷無氧偶聯轉化新研究

華東理工大學化學與分子工程學院王靈芝教授和張金龍教授課題組在甲烷光催化轉化領域取得最新研究進展。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。甲烷是地球上儲量最豐富的含碳資源，同時也是比二氧化碳具有更顯著溫室效應的氣體。隨著甲烷開采量的增大及大氣中濃度的逐年提升，將甲烷轉化為更具價值的化學產物，能減少甲烷泄漏及熱值燃燒造成的溫室效應。此項研究闡明了基于固體表面受阻路易斯酸堿對的甲烷碳-氫鍵極化位點的設計原理，深入解析了光激發下活性位點的增強機制，為無貴金屬輔助的高效甲烷轉化光催化劑的結構設計提供了新的視角。

二氧化碳催化轉化新研究

中國科學院蘭州化學物理研究所羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室崔新江研究員和德國萊布尼茨催化研究所科研人員合作，通過精細調控還原溫度構筑出對二氧化碳加氫制甲酸具有高活性，同時能有效促進甲酰胺產物脫附的雙功能氧化亞銅/銅界面位點，實現了脂肪族伯胺和二氧化碳/氫氣反應制備甲酰胺。相關成果發表于《德國應用化學雜志》（Angewandte Chemie International Edition）。實現二氧化碳到高附加值化學品的增值轉化、變廢為寶，是當前二氧化碳化學轉化領域的重要課題。在清潔還原劑氫氣存在下，二氧化碳和胺類化合物還原耦合制備甲酰胺是當前二氧化碳高值化利用的一條重要途經。

生物質光催化轉化制備合成氣

中國科學院大連化學物理研究所生物能源研究部生物能源化學品研究組王峰研究員團隊與大連理工大學王敏研究員團隊合作，受邀發表了生物質光催化轉化制備合成氣的綜述文章。相關成果發表于《化學研究述評》（Accounts of Chemical Research）。文章報道了多項成果，比如，光催化生物質制合成氣過程；構建表面質子受體和半共格異質界面，促進硫化鎘上合成氣的生成；建立一種生物質光催化可控氧化重整策略，促進一氧化碳的生成；揭示二氧化鈦上生物質光催化氧化重整的晶面效應，實現選擇性調控；建立一種光電催化系統，實現陰陽兩極分別析出氫氣和一氧化碳。文章最后分析問題和挑戰，并對未來的發展方向進行展望。

“女媧”中國人群基因組計劃發布第三項成果

中國科學院生物物理研究所徐濤院士團隊和何順民研究員團隊解析中國人群基因組微衛星變異圖譜。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。“女媧”中國人群基因組計劃旨在構建中國人群的全基因組數據資源，并全面解析中國人群基因組遺傳變異。在此之前，計劃2021年發布中國人群有關基因及非編碼基因功能喪失型變異圖譜，以及首個中國人群特異的大規模高深度單倍型參考面板；2022年系統分析和挖掘了5675人的全基因組數據（含“女媧”中國人群數據2998例），發布全球人群移動元件變異圖譜，構建了目前含中國人群數目最多的全球移動元件變異資源。近期發布的是第3項工作，聚焦于短串聯重復序列。

中國蛇類DNA條形碼參考數據集發布

中國科學院昆明動物研究所車靜研究員、張亞平院士等與宜賓學院郭鵬教授、安徽師范大學黃松教授等合作，首次系統性構建了中國蛇類DNA條形碼參考數據集，對中國蛇類多樣性進行了評估。研究涉及228個已知物種，占已描述物種的80.6%，覆蓋了中國大部分區域。相關成果發表于《分子生態資源》（Molecular Ecology Resources）。我國具有豐富的蛇類物種多樣性，已知現存的蛇類有283種，隸屬18科65屬（截至2020年12月31日），占世界總蛇類種數的8%左右。雖然我國蛇類物種數量仍然在不斷增加，由于對蛇類資源的過度開發利用，加之棲息地遭破壞、非法的收集和蛇類貿易等，中國蛇類面臨嚴重的威脅。

棉蚜對吡蟲啉的抗性研究

中國農業大學梁沛教授團隊開展了腸道共生菌鞘氨醇單胞菌介導重要農業害蟲棉蚜對吡蟲啉的抗性研究。相關成果發表于《生物學期刊》（BMC Biology）。棉蚜是一種世界性分布的重要害蟲。長期以來，化學防治一直是防治棉蚜的主要手段，造成棉蚜對多種不同類型的殺蟲劑產生不同程度的抗性。近年來，昆蟲共生菌介導的宿主對殺蟲劑的抗性，引起了全世界的廣泛關注。研究表明，昆蟲共生菌可通過直接對有毒物質進行代謝或間接介導宿主的解毒酶或相關基因的表達，進而影響昆蟲的解毒代謝功能。研究通過16S擴增子測序發現，吡蟲啉抗性品系棉蚜腸道中的鞘氨醇單胞菌的豐度顯著高于敏感品系。

發現非洲豬瘟病毒新型毒力基因

中國農業科學院上海獸醫研究所陳鴻軍領導的動物生物安全共性技術團隊與國內其他單位合作，發現一種非洲豬瘟病毒新型毒力基因，解析了其抑制宿主抗病毒蛋白質合成的分子機制。相關成果發表于《美國國家科學院院刊》（PNAS）。非洲豬瘟是由非洲豬瘟病毒感染豬引起的一種急烈性傳染病，在我國被列為一類動物疫病。非洲豬瘟病毒基因組龐大，至少可編碼150種病毒蛋白，功能未知的蛋白超過50%。這給非洲豬瘟病毒致病機制研究帶來了極大困難。論文篩選并鑒定了非洲豬瘟病毒編碼的免疫抑制基因I73R ，深入研究I73R蛋白調控宿主抗病毒蛋白合成的分子機制，進一步闡明了非洲豬瘟病毒分子致病機制。

利用地基廣角相機陣探測伽馬射線暴的瞬時光學輻射

中國科學院國家天文臺辛立平等人聯合國內外科研人員利用位于國家天文臺興隆基地試運行中的地基廣角相機陣，成功探測到一例伽馬射線暴（GRB 201223A）的瞬時光學輻射及其向極早期余輝的轉變過程。相關成果發表于《自然·天文》（Nature Astronomy）。伽馬暴源于大質量恒星晚期坍縮或雙中子星并合瞬間伴隨著新生黑洞或磁陀星的極端相對論噴流，短時間內輻射出巨大能量，包括噴流內激波導致的爆發瞬時輻射和噴流撞擊外部介質產生的余輝。典型的高能暴發僅持續毫秒到幾十秒，很難做到實時跟進。由于伽馬暴發生在時間和空間上的隨機性，相關研究將為研究極端相對論噴流、暴周環境及前身星特性提供獨特數據。

瞬時輻射能譜圖（圖片來源于中國科學院國家天文臺網站）

利用射電望遠鏡直接探測暗光子暗物質

中國科學院紫金山天文臺黃曉淵研究員與清華大學、北京大學研究人員合作，提出利用射電望遠鏡直接尋找暗光子暗物質的新方法。相關成果發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。暗物質是一種在天文觀測中被發現的物質，它具有引力作用但不發光，占據了宇宙總能量的27%。暗光子暗物質可以在地面上的射電望遠鏡的反射板或偶極天線上引起電子振蕩，從而在望遠鏡的探測器上產生單頻射電信號，其輻射頻率與暗光子質量根據質能方程轉換得到的特征頻率相同。科學家利用我國500米口徑球面射電望遠鏡的觀測數據，在1～1.5GHz尋找暗光子暗物質產生的信號，給出了這個頻率范圍內對暗光子暗物質的最強實驗限制。

“史上最亮”伽瑪射線暴的甚高能輻射機制研究

中國科學院云南天文臺毛基榮和王建成研究員采用相對論電子在小尺度無序磁場輻射的理論模型開展研究，通過等離子體朗道阻尼效應約束輻射的最高能區。相關成果發表于《天體物理學雜志》(The Astrophysical Journal)。伽瑪射線暴是宇宙中爆發最為劇烈的高能天體。伽瑪射線暴研究，包括中心引擎、磁化動力學和輻射機制等研究方向，是當前高能天體物理研究的前沿和熱點。在相關理論研究中，研究人員創造性地將這一輻射機制作為相干輻射進行甚高能輻射計算，得到輻射流量，從理論上創新性地解釋了這一“史上最亮”伽瑪射線暴的甚高能輻射特征。此外，這一研究結果揭示了伽瑪射線暴是可能的高能宇宙線加速器。

利用玫瑰圖疊加法研究疏散星團分層結構

中國科學院新疆天文臺艾力·伊沙木丁研究員、張余研究員等人基于蓋亞數據創新性提出玫瑰圖疊加法，對太陽附近500pc范圍內的疏散星團樣本三維分層結構進行研究。相關成果發表于《天文學與天體物理學》（Astronomy & Astrophysics）。疏散星團的形態研究可以為追溯星團的形成機制提供觀測證據，也有助于理解星團的演化過程。疏散星團在二維投影面上的形態大多符合核-殼結構，這種分層結構不確定是否真實存在于三維空間中。玫瑰圖疊加法不但可以定量描繪疏散星團的形態，還可以為甄別疏散星團樣本的三維結構提供方法支撐。星團三維分層結構背后的物理機制、形成星團三維分層結構的條件等問題還需做進一步研究。